当两片碳纳米材料石墨烯相对于彼此以特定的角度堆叠在一起时，就会产生一些令人着迷的物理现象。例如，当这种所谓的“魔角石墨烯”冷却到接近绝对零度时，它会突然变成超导体，这意味着它以零电阻进行导电。

现在，美国布朗大学的一个研究小组发现了一种令人惊讶的新现象，这种现象可能出现在魔角石墨烯中。在最近发表在《科学》杂志上的研究中，该团队表明，通过诱导出一种被称为自旋轨道耦合的现象，魔角石墨烯变成了一种强大的磁体。

布朗大学物理学助理教授、该研究的资深作者Jia Li说：“在凝聚态物理学中，磁性和超导性通常处于光谱相反的两端，它们很少出现在同一个材料平台上。然而，我们已经证明，可以在最初具有超导性的系统中产生磁性。这为我们提供了一种研究超导性和磁性之间相互作用的新方法，并为量子科学研究提供了令人兴奋的新可能性。”

近年来，魔角石墨烯在物理学界引起了不小的轰动。石墨烯是一种二维材料，由碳原子以蜂窝状排列而成。单片石墨烯本身就很有趣：它具有非凡的材料强度和极其有效的导电率。但是当石墨烯片堆叠起来时，事情就变得更加有趣了。电子不仅开始与石墨烯片中的其他电子相互作用，而且还与相邻片中的电子进行相互作用。改变薄片相对于彼此的角度会改变这些相互作用，从而产生有趣的量子现象(如超导性)。

这项新研究增加了一个新的思路，将自旋轨道耦合到这个已经很有趣的系统。自旋轨道耦合是某些材料中电子行为的一种状态，自旋轨道耦合效应指明了耦合电子的自旋自由度和它的轨道自由度之间的关系，这种关系提供了一种新的方式来控制电子自旋。

布朗大学博士后研究员、该研究的主要作者Jiang-Xiazi Lin说：“我们知道自旋轨道耦合会产生很多有趣的量子现象，但它通常不存在于魔角石墨烯中。我们想引入自旋轨道耦合，然后看看它对系统有什么影响。”

为此，Jia Li和他的团队将魔角石墨烯与一块二硒化钨(一种具有强自旋轨道耦合的材料)连接起来。精确地对齐堆叠会诱导出石墨烯中的自旋轨道耦合。然后在那里，该团队用外部电流和磁场探测了系统。

实验表明，在存在外部磁场的情况下，沿一个方向流过材料的电流会在垂直于电流的方向上产生电压。该电压被称为霍尔效应，是材料中内部有磁场的信号。

令研究小组惊讶的是，他们表明可以使用外部磁场来控制磁性状态，且外部磁场的方向可以是石墨烯平面内的也可以是平面外的。这与无自旋轨道耦合的磁性材料相反，在无自旋轨道耦合的磁性材料中，只有当外部磁场沿着磁性方向排列时，才能控制固有磁性。

哈佛大学的理论物理学家Yahui Zhang与布朗大学的该团队合作，了解并观测到了磁场相关的物理现象。他说：“这一观察结果表明，自旋轨道耦合确实存在，并为建立理论模型以了解原子界面的影响提供了线索。”

布朗大学研究生Erin Morrissette进行了一些实验工作，他说：“自旋轨道耦合的独特影响为科学家们提供了一个新的实验旋钮，它可以帮助他们努力了解魔角石墨烯的行为。这些发现还具有用于新设备应用的潜力。”

一种可能的应用是在计算机内存中。研究小组发现，魔角石墨烯的磁性可以通过外部磁场和电场来控制。这将使这个二维系统成为具有灵活读/写优势的磁存储设备的理想候选者。

研究人员说，另一个潜在的应用是量子计算。铁磁体和超导体之间的界面已被认为是可作为量子计算机的潜在构建块。但问题是这样的界面很难创建，因为磁铁通常会破坏超导性。但是一种同时具有铁磁性和超导性的材料可以提供一种创建这种界面的方法。

Jia Li说：“我们正在努力使用原子界面同时稳定超导性和铁磁性。这两种现象的共存在物理学中是罕见的，它一定会解锁更多兴奋的东西。”（编译:Qtech）